TY  - THES
A1  - Schmallowsky, Antje
T1  - Visualisierung dynamischer Raumphänomene in Geoinformationssystemen
T1  - Visualization of dynamic spatial phenomena in geographic information systems
N2  - Die visuelle Kommunikation ist eine effiziente Methode, um dynamische Phänomene zu beschreiben. Informationsobjekte präzise wahrzunehmen, einen schnellen Zugriff auf strukturierte und relevante Informationen zu ermöglichen, erfordert konsistente und nach dem formalen Minimalprinzip konzipierte Analyse- und Darstellungsmethoden. Dynamische Raumphänomene in Geoinformationssystemen können durch den Mangel an konzeptionellen Optimierungsanpassungen aufgrund ihrer statischen Systemstruktur nur bedingt die Informationen von Raum und Zeit modellieren. Die Forschung in dieser Arbeit ist daher auf drei interdisziplinäre Ansätze fokussiert. Der erste Ansatz stellt eine echtzeitnahe Datenerfassung dar, die in Geodatenbanken zeitorientiert verwaltet wird. Der zweite Ansatz betrachtet Analyse- und Simulationsmethoden, die das dynamische Verhalten analysieren und prognostizieren. Der dritte Ansatz konzipiert Visualisierungsmethoden, die insbesondere dynamische Prozesse abbilden. Die Symbolisierung der Prozesse passt sich bedarfsweise in Abhängigkeit des Prozessverlaufes und der Interaktion zwischen Datenbanken und Simulationsmodellen den verschiedenen Entwicklungsphasen an. Dynamische Aspekte können so mit Hilfe bewährter Funktionen aus der GI-Science zeitnah mit modularen Werkzeugen entwickelt und visualisiert werden. Die Analyse-, Verschneidungs- und Datenverwaltungsfunktionen sollen hierbei als Nutzungs- und Auswertungspotential alternativ zu Methoden statischer Karten dienen. Bedeutend für die zeitliche Komponente ist das Verknüpfen neuer Technologien, z. B. die Simulation und Animation, basierend auf einer strukturierten Zeitdatenbank in Verbindung mit statistischen Verfahren. Methodisch werden Modellansätze und Visualisierungstechniken entwickelt, die auf den Bereich Verkehr transferiert werden. Verkehrsdynamische Phänomene, die nicht zusammenhängend und umfassend darstellbar sind, werden modular in einer serviceorientierten Architektur separiert, um sie in verschiedenen Ebenen räumlich und zeitlich visuell zu präsentieren. Entwicklungen der Vergangenheit und Prognosen der Zukunft werden über verschiedene Berechnungsmethoden modelliert und visuell analysiert. Die Verknüpfung einer Mikrosimulation (Abbildung einzelner Fahrzeuge) mit einer netzgesteuerten Makrosimulation (Abbildung eines gesamten Straßennetzes) ermöglicht eine maßstabsunabhängige Simulation und Visualisierung des Mobilitätsverhaltens ohne zeitaufwendige Bewertungsmodellberechnungen. Zukünftig wird die visuelle Analyse raum-zeitlicher Veränderungen für planerische Entscheidungen ein effizientes Mittel sein, um Informationen übergreifend verfügbar, klar strukturiert und zweckorientiert zur Verfügung zu stellen. Der Mehrwert durch visuelle Geoanalysen, die modular in einem System integriert sind, ist das flexible Auswerten von Messdaten nach zeitlichen und räumlichen Merkmalen.
N2  - Visual communication is an efficient method to describe dynamic phenomena. Perceiving information objects precisely and facilitating quick access to structured and relevant information requires consistent analysis and presentation methods conceived according to the formal minimisation principle. Because of the lack of conceptual optimisation adaptations due to their static system structure, dynamic space phenomena in geoinformation systems can only model the information of time and space conditionally. This is why research in this paper focuses on three interdisciplinary approaches. The first approach represents data collection close to real-time which is administered in geodatabases in a time-oriented manner. The second approach looks at analysis and simulation methods that analyse and forecast dynamic behaviour. The third approach conceives visualisation methods that model dynamic processes in particular. Where required, the symbolising of processes adapts to the various development phases depending on the process flow and the interaction between databases and simulation models. This allows dynamic aspects to be developed and visualised in a timely manner using modular tools with the help of proven geoscience functions. The analysis, intersection and data administration functions are intended to serve as utilisation and analysis potential as an alternative to static chart methods. For the time component, linking new technologies such as simulation and animation is significant based on a structured time database in connection with statistical methods. Modelling approaches and visualisation techniques are methodically developed and transferred to the traffic field. Dynamic traffic phenomena that cannot be modelled cohesively and comprehensively are separated into a service-oriented modular architecture in order to present them visually on different levels of space and time. Past developments and forecasts are modelled and visually analysed using various calculation methods. Linking a micro-simulation (modelling individual vehicles) to a network-controlled macro-simulation (modelling an entire road network) makes it possible to simulate and visualise mobility behaviour regardless of scale without time-consuming analysis model calculations. In the future, the visual analysis of space-time changes for planning decisions will be an efficient tool in order to make comprehensive, clearly structured and appropriate information available. The flexible analysis of measurement data according to time and space criteria represents the added value of visual geoanalysis integrated into a system with a modular structure.
KW  - Visualisierung
KW  - dynamischer Raumphänomene
KW  - GIS
KW  - Dynamik
KW  - Kartographie
KW  - Kommunikation
KW  - Geodaten
KW  - Zeit GIS
KW  - temporale Symbolik
KW  - Visualization
KW  - dynamic spatial phenomena
KW  - GIS
KW  - dynamics
KW  - cartography
KW  - communication
KW  - spatial data
KW  - geosience
KW  - temporale
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41262
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grimbs, Sergio
T1  - Towards structure and dynamics of metabolic networks
T1  - Struktur und Dynamik metabolischer Netzwerke
N2  - This work presents mathematical and computational approaches to cover various aspects of metabolic network modelling, especially regarding the limited availability of detailed kinetic knowledge on reaction rates. It is shown that precise mathematical formulations of problems are needed i) to find appropriate and, if possible, efficient algorithms to solve them, and ii) to determine the quality of the found approximate solutions. Furthermore, some means are introduced to gain insights on dynamic properties of metabolic networks either directly from the network structure or by additionally incorporating steady-state information. Finally, an approach to identify key reactions in a metabolic networks is introduced, which helps to develop simple yet useful kinetic models. The rise of novel techniques renders genome sequencing increasingly fast and cheap. In the near future, this will allow to analyze biological networks not only for species but also for individuals. Hence, automatic reconstruction of metabolic networks provides itself as a means for evaluating this huge amount of experimental data. A mathematical formulation as an optimization problem is presented, taking into account existing knowledge and experimental data as well as the probabilistic predictions of various bioinformatical methods. The reconstructed networks are optimized for having large connected components of high accuracy, hence avoiding fragmentation into small isolated subnetworks. The usefulness of this formalism is exemplified on the reconstruction of the sucrose biosynthesis pathway in Chlamydomonas reinhardtii. The problem is shown to be computationally demanding and therefore necessitates efficient approximation algorithms. The problem of minimal nutrient requirements for genome-scale metabolic networks is analyzed. Given a metabolic network and a set of target metabolites, the inverse scope problem has as it objective determining a minimal set of metabolites that have to be provided in order to produce the target metabolites. These target metabolites might stem from experimental measurements and therefore are known to be produced by the metabolic network under study, or are given as the desired end-products of a biotechological application. The inverse scope problem is shown to be computationally hard to solve. However, I assume that the complexity strongly depends on the number of directed cycles within the metabolic network. This might guide the development of efficient approximation algorithms. Assuming mass-action kinetics, chemical reaction network theory (CRNT) allows for eliciting conclusions about multistability directly from the structure of metabolic networks. Although CRNT is based on mass-action kinetics originally, it is shown how to incorporate further reaction schemes by emulating molecular enzyme mechanisms. CRNT is used to compare several models of the Calvin cycle, which differ in size and level of abstraction. Definite results are obtained for small models, but the available set of theorems and algorithms provided by CRNT can not be applied to larger models due to the computational limitations of the currently available implementations of the provided algorithms. Given the stoichiometry of a metabolic network together with steady-state fluxes and concentrations, structural kinetic modelling allows to analyze the dynamic behavior of the metabolic network, even if the explicit rate equations are not known. In particular, this sampling approach is used to study the stabilizing effects of allosteric regulation in a model of human erythrocytes. Furthermore, the reactions of that model can be ranked according to their impact on stability of the steady state. The most important reactions in that respect are identified as hexokinase, phosphofructokinase and pyruvate kinase, which are known to be highly regulated and almost irreversible. Kinetic modelling approaches using standard rate equations are compared and evaluated against reference models for erythrocytes and hepatocytes. The results from this simplified kinetic models can simulate acceptably the temporal behavior for small changes around a given steady state, but fail to capture important characteristics for larger changes. The aforementioned approach to rank reactions according to their influence on stability is used to identify a small number of key reactions. These reactions are modelled in detail, including knowledge about allosteric regulation, while all other reactions were still described by simplified reaction rates. These so-called hybrid models can capture the characteristics of the reference models significantly better than the simplified models alone. The resulting hybrid models might serve as a good starting point for kinetic modelling of genome-scale metabolic networks, as they provide reasonable results in the absence of experimental data, regarding, for instance, allosteric regulations, for a vast majority of enzymatic reactions.
N2  - In dieser Arbeit werden mathematische und informatische Ansätze zur Behandlung diverser Probleme im Zusammenhang mit der Modellierung metabolischer Netzwerke vorgestellt, insbesondere unter Berücksichtigung der eingeschränkten Verfügbarkeit detaillierter Enzymkinetiken. Es wird gezeigt, dass präzise mathematische Formulierungen der Probleme notwendig sind, um erstens angemessene und, falls möglich, effiziente Algorithmen zur Lösung zu entwickeln. Und zweitens, um die Güte der so gefundenen Lösungen zu bewerten. Des weiteren werden Methoden zur Analyse dynamischer Eigenschaften metabolischer Netzwerke eingeführt, welche entweder nur auf der Struktur der Netzwerke basieren oder zusätzlich noch Informationen über stationäre Zustände mit berücksichtigen. Außerdem wird eine Strategie zur Bestimmung von Schlüsselreaktionen eines Netzwerkes vorgestellt, welche die Entwicklung kinetischer Modelle vereinfacht. Der Erfolg neuer Technologien ermöglicht eine immer billigere und schnellere Sequenzierung des Genoms. Dies wird in naher Zukunft die Analyse biologischer Netzwerke nicht nur für Spezies, sondern auch für einzelne Individuen ermöglichen. Die automatische Rekonstruktion metabolischer Netzwerke ist bestens dafür geeignet, diese großen Datenmengen auszuwerten. Eine mathematische Formulierung der Rekonstruktion als Optimierungsproblem wird vorgestellt, die sowohl bereits vorhandenes Wissen als auch theoretische Vorhersagen verschiedenster bioinformatischer Methoden berücksichtigt. Die rekonstruierten Netzwerke sind hinsichtlich möglichst großer und plausibler Zusammenhangskomponenten hin optimiert, um fragmentierte und isolierte Teilnetzwerke zu vermeiden. Als Beispiel dient die Rekonstruktion der Saccharosesynthese in Chlamydomonas reinhardtii. Es wird gezeigt, dass das Problem sehr rechenintensiv ist und somit Approximationsalgorithmen erforderlich macht. Das 'inverse scope' Problem hat als Optimierungsziel, für ein gegebenes metabolisches Netzwerk die minimale Menge notwendiger Metabolite zu bestimmen, um eine ebenfalls gegebene Menge von gewünschten Zielmetaboliten zu produzieren. Diese Zielmetabolite können entweder durch experimentellen Messungen festgelegt werden, oder sie sind die gewünschten Endprodukte einer biotechnologischen Anwendung. Es wird gezeigt, dass das 'inverse scope' Problem rechenintensiv ist. Allerdings wird angenommen, dass die Berechnungskomplexität stark von der Anzahl gerichteter Zyklen innerhalb des metabolischen Netzwerkes abhängt. Dies könnte die Entwicklung effizienter Approximationsalgorithmen ermöglichen. Unter der Annahme von Massenwirkungskinetiken erlaubt es die 'chemical reaction network theory' (CRNT), anhand der Struktur metabolischer Netzwerke Rückschlüsse auf Multistabilität zu ziehen. Auch weitere Kinetiken können durch Modellierung von Enzymmechanismen mit berücksichtigt werden. CRNT wird zum Vergleich von mehreren Modellen des Calvinzyklus, welche sich in Größe und Abstraktionsniveau unterscheiden, verwendet. Obwohl für kleinere Modelle Ergebnisse erzielt werden, erlauben es die verfügbaren Theoreme und Algorithmen der CRNT nicht, Aussagen für größere Modelle zu machen, da die gegenwärtigen Implementierungen der Algorithmen an ihre Berechnungsgrenzen stoßen. Sind sowohl die Stoichiometrie eines metabolischen Netzwerkes, als auch die Metabolitkonzentrationen und Flüsse im stationären Zustand bekannt, so kann 'structural kinetic modelling' angewandt werden, um das dynamische Verhalten des Netzwerkes zu analysieren, selbst wenn die expliziten Ratengleichung unbekannt sind. Dieser Ansatz wird verwendet, um den stabilisierenden Einfluss allosterischer Regulation in menschlichen Erythrozyten zu untersuchen. Des weiteren werden die Reaktionen anhand ihrer Bedeutung hinsichtlich Stabilität im stationären Zustand angeordnet. Die wichtigsten Reaktionen bezüglich dieser Ordnung sind Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvatkinase, welche bekanntermaßen stark reguliert und irreversibel sind. Kinetische Modelle, die auf generischen Ratengleichung beruhen, werden mit detaillierten Referenzmodellen für Erythrozyten und Hepatozyten verglichen. Die generischen Modelle simulieren das Verhalten nur in der Nähe eines gegebenen stationären Zustandes recht gut. Der zuvor erwähnte Ansatz, wichtige Reaktionen bezüglich Stabilität zu identifizieren, wird zur Bestimmung von Schlüsselreaktionen genutzt. Diese Schlüsselreaktionen werden im Detail modelliert, während für alle anderen Reaktionen weiterhin generische Ratengleichung verwendet werden. Die so entstandenen Hybridmodelle können das Verhalten des Referenzmodells signifikant besser beschreiben. Die Hybridmodelle können als Ausgangspunkt zur Erstellung genomweiter kinetischer Modelle dienen.
KW  - metabolische Netzwerke
KW  - Modellierung
KW  - Struktur
KW  - Dynamik
KW  - Bioinformatik
KW  - metabolic networks
KW  - modelling
KW  - structure
KW  - dynamics
KW  - bioinformatics
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32397
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bleßmann, Daniela
T1  - Der Einfluss der Dynamik auf die stratosphärische Ozonvariabilität über der Arktis im Frühwinter
T1  - Dynamical influence on stratospheric ozone variability over the Arctic in early winter
N2  - Der frühwinterliche Ozongehalt ist ein Indikator für den Ozongehalt im Spätwinter/Frühjahr. Jedoch weist dieser aufgrund von Absinkprozessen, chemisch bedingten Ozonabbau und Wellenaktivität von Jahr zu Jahr starke Schwankungen auf. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Variabilität weitestgehend auf dynamische Prozesse während der Wirbelbildungsphase des arktischen Polarwirbels zurückgeht. Ferner wird der bisher noch ausstehende Zusammenhang zwischen dem früh- und spätwinterlichen Ozongehalt bezüglich Dynamik und Chemie aufgezeigt. Für die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der im Polarwirbel eingeschlossenen Luftmassenzusammensetzung und Ozonmenge wurden Beobachtungsdaten von Satellitenmessinstrumenten und Ozonsonden sowie Modellsimulationen des Lagrangschen Chemie/Transportmodells ATLAS verwandt. Die über die Fläche (45–75°N) und Zeit (August-November) gemittelte Vertikalkomponente des Eliassen-Palm-Flussvektors durch die 100hPa-Fläche zeigt eine Verbindung zwischen der frühwinterlichen wirbelinneren Luftmassenzusammensetzung und der Wirbelbildungsphase auf. Diese ist jedoch nur für die untere Stratosphäre gültig, da die Vertikalkomponente die sich innerhalb der Stratosphäre ändernden Wellenausbreitungsbedingungen nicht erfasst. Für eine verbesserte Höhendarstellung des Signals wurde eine neue integrale auf der Wellenamplitude und dem Charney-Drazin-Kriterium basierende Größe definiert. Diese neue Größe verbindet die Wellenaktivität während der Wirbelbildungsphase sowohl mit der Luftmassenzusammensetzung im Polarwirbel als auch mit der Ozonverteilung über die Breite. Eine verstärkte Wellenaktivität führt zu mehr Luft aus niedrigeren ozonreichen Breiten im Polarwirbel. Aber im Herbst und Frühwinter zerstören chemische Prozesse, die das Ozon ins Gleichgewicht bringen, die interannuale wirbelinnere Ozonvariablität, die durch dynamische Prozesse während der arktischen Polarwirbelbildungsphase hervorgerufen wird. Eine Analyse in Hinblick auf den Fortbestand einer dynamisch induzierten Ozonanomalie bis in den Mittwinter ermöglicht eine Abschätzung des Einflusses dieser dynamischen Prozesse auf den arktischen Ozongehalt. Zu diesem Zweck wurden für den Winter 1999–2000 Modellläufe mit dem Lagrangesche Chemie/Transportmodell ATLAS gerechnet, die detaillierte Informationen über den Erhalt der künstlichen Ozonvariabilität hinsichtlich Zeit, Höhe und Breite liefern. Zusammengefasst, besteht die dynamisch induzierte Ozonvariabilität während der Wirbelbildungsphase länger im Inneren als im Äußeren des Polarwirbels und verliert oberhalb von 750K potentieller Temperatur ihre signifikante Wirkung auf die mittwinterliche Ozonvariabilität. In darunterliegenden Höhenbereichen ist der Anteil an der ursprünglichen Störung groß, bis zu 90% auf der 450K. Innerhalb dieses Höhenbereiches üben die dynamischen Prozesse während der Wirbelbildungsphase einen entscheidenden Einfluss auf den Ozongehalt im Mittwinter aus.
N2  - The ozone amount in early winter provides an indication of the ozone amount in late winter/early spring. The early winter amount is highly variable from year to year due to modification by subsidence, chemical loss and wave activity. This thesis shows that this variability is mainly caused by the dynamics during the Arctic polar vortex formation. Furthermore, it explains the still missing link between early and late winter ozone amount due to dynamics and chemistry. Observational ozone data from satellite based instruments, ozone probes and simulations are used for the investigation of the connection between the composition of the air and the ozone enclosed in the polar vortex. The simulations are calculated with the Lagrangian chemistry/transport model ATLAS. The over area (45–75°N) and time (August-November) averaged vertical component of the Eliassen-Palm flux at 100hPa points to a link between the early winter composition of the air enclosed in the polar vortex and the vortex formation phase. This is only valid for the lower stratosphere, because the component does not satisfy changing conditions for wave propagation throughout the stratosphere by itself. Due to this deficit a new integral quantity based on wave amplitude and properties of the Charney-Drazin criterion is defined to achieve an improvement with height. This new quantity connects the wave activity during vortex formation to the composition of air inside the vortex as well as the distribution of ozone over latitude. An enhanced wave activity leads to a higher proportion of ozone rich air from lower latitudes inside the polar vortex. But chemistry in autumn and early winter removes the interannual variability in the amount of ozone enclosed in the vortex induced by dynamical processes during the formation phase of the Artic polar vortex because ozone relaxes towards equilibrium. An estimation of how relevant these variable dynamical processes are for the Arctic winter ozone abundances is obtained by analysing which fraction of dynamically induced anomalies in ozone persists until mid winter. Model runs with the Lagrangian Chemistry-Transport-Model ATLAS for the winter 1999–2000 are used to assess the fate of ozone anomalies artificially introduced during the vortex formation phase. These runs provide detailed information about the persistence of the induced ozone variability over time, height and latitude. Overall, dynamically induced ozone variability from the vortex formation phase survives longer inside the polar vortex compared to outside and can not significantly contribute to mid-winter variability at levels above 750K potential temperature level. At lower levels increasingly larger fractions of the initial perturbation survive, reaching 90% at 450K potential temperature level. In this vertical range dynamical processes during the vortex formation phase are crucial for the ozone abundance in mid-winter.
KW  - Stratosphäre
KW  - Ozon
KW  - Variabilität
KW  - Dynamik
KW  - Chemie-Transport-Modell
KW  - stratosphere
KW  - ozone
KW  - variability
KW  - dynamics
KW  - chemistry-transport-model
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51394
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Jeon, Jae-Hyung
A1  - Chechkin, Aleksei V.
A1  - Metzler, Ralf
T1  - Scaled Brownian motion: a paradoxical process with a time dependent diffusivity for the description of anomalous diffusion
JF  - Physical chemistry, chemical physics : PCCP
N2  - Anomalous diffusion is frequently described by scaled Brownian motion (SBM){,} a Gaussian process with a power-law time dependent diffusion coefficient. Its mean squared displacement is ?x2(t)? [similar{,} equals] 2K(t)t with K(t) [similar{,} equals] t[small alpha]-1 for 0 < [small alpha] < 2. SBM may provide a seemingly adequate description in the case of unbounded diffusion{,} for which its probability density function coincides with that of fractional Brownian motion. Here we show that free SBM is weakly non-ergodic but does not exhibit a significant amplitude scatter of the time averaged mean squared displacement. More severely{,} we demonstrate that under confinement{,} the dynamics encoded by SBM is fundamentally different from both fractional Brownian motion and continuous time random walks. SBM is highly non-stationary and cannot provide a physical description for particles in a thermalised stationary system. Our findings have direct impact on the modelling of single particle tracking experiments{,} in particular{,} under confinement inside cellular compartments or when optical tweezers tracking methods are used.
KW  - single-particle tracking
KW  - living cells
KW  - random-walks
KW  - subdiffusion
KW  - dynamics
KW  - nonergodicity
KW  - coefficients
KW  - transport
KW  - membrane
KW  - behavior
Y1  - 2014
U6  - https://doi.org/10.1039/C4CP02019G
VL  - 30
IS  - 16
SP  - 15811
EP  - 15817
PB  - The Royal Society of Chemistry
CY  - Cambridge
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Shin, Jaeoh
A1  - Cherstvy, Andrey G.
A1  - Metzler, Ralf
ED  - Metzler, Ralf
T1  - Kinetics of polymer looping with macromolecular crowding: effects of volume fraction and crowder size
JF  - Soft Matter
N2  - The looping of polymers such as DNA is a fundamental process in the molecular biology of living cells, whose interior is characterised by a high degree of molecular crowding. We here investigate in detail the looping dynamics of flexible polymer chains in the presence of different degrees of crowding. From the analysis of the looping–unlooping rates and the looping probabilities of the chain ends we show that the presence of small crowders typically slows down the chain dynamics but larger crowders may in fact facilitate the looping. We rationalise these non-trivial and often counterintuitive effects of the crowder size on the looping kinetics in terms of an effective solution viscosity and standard excluded volume. It is shown that for small crowders the effect of an increased viscosity dominates, while for big crowders we argue that confinement effects (caging) prevail. The tradeoff between both trends can thus result in the impediment or facilitation of polymer looping, depending on the crowder size. We also examine how the crowding volume fraction, chain length, and the attraction strength of the contact groups of the polymer chain affect the looping kinetics and hairpin formation dynamics. Our results are relevant for DNA looping in the absence and presence of protein mediation, DNA hairpin formation, RNA folding, and the folding of polypeptide chains under biologically relevant high-crowding conditions.
KW  - gene-regulation kinetics
KW  - physiological consequences
KW  - spatial-organization
KW  - anomalous diffusion
KW  - folding kinetics
KW  - living cells
KW  - dna coiling
KW  - in-vitro
KW  - dynamics
KW  - mixtures
Y1  - 2014
SN  - 1744-683X
SP  - 472
EP  - 488
PB  - The Royal Society of Chemistry
CY  - Cambridge
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Shin, Jaeoh
A1  - Cherstvy, Andrey G.
A1  - Metzler, Ralf
T1  - Kinetics of polymer looping with macromolecular crowding: effects of volume fraction and crowder size
N2  - The looping of polymers such as DNA is a fundamental process in the molecular biology of living cells, whose interior is characterised by a high degree of molecular crowding. We here investigate in detail the looping dynamics of flexible polymer chains in the presence of different degrees of crowding. From the analysis of the looping–unlooping rates and the looping probabilities of the chain ends we show that the presence of small crowders typically slows down the chain dynamics but larger crowders may in fact facilitate the looping. We rationalise these non-trivial and often counterintuitive effects of the crowder size on the looping kinetics in terms of an effective solution viscosity and standard excluded volume. It is shown that for small crowders the effect of an increased viscosity dominates, while for big crowders we argue that confinement effects (caging) prevail. The tradeoff between both trends can thus result in the impediment or facilitation of polymer looping, depending on the crowder size. We also examine how the crowding volume fraction, chain length, and the attraction strength of the contact groups of the polymer chain affect the looping kinetics and hairpin formation dynamics. Our results are relevant for DNA looping in the absence and presence of protein mediation, DNA hairpin formation, RNA folding, and the folding of polypeptide chains under biologically relevant high-crowding conditions.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 185 
KW  - gene-regulation kinetics
KW  - physiological consequences
KW  - spatial-organization
KW  - anomalous diffusion
KW  - folding kinetics
KW  - living cells
KW  - dna coiling
KW  - in-vitro
KW  - dynamics
KW  - mixtures
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76961
SP  - 472
EP  - 488
PB  - The Royal Society of Chemistry
CY  - Cambridge
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Jeon, Jae-Hyung
A1  - Chechkin, Aleksei V.
A1  - Metzler, Ralf
T1  - Scaled Brownian motion: a paradoxical process with a time dependent diffusivity for the description of anomalous diffusion
N2  - Anomalous diffusion is frequently described by scaled Brownian motion (SBM){,} a Gaussian process with a power-law time dependent diffusion coefficient. Its mean squared displacement is ?x2(t)? [similar{,} equals] 2K(t)t with K(t) [similar{,} equals] t[small alpha]-1 for 0 < [small alpha] < 2. SBM may provide a seemingly adequate description in the case of unbounded diffusion{,} for which its probability density function coincides with that of fractional Brownian motion. Here we show that free SBM is weakly non-ergodic but does not exhibit a significant amplitude scatter of the time averaged mean squared displacement. More severely{,} we demonstrate that under confinement{,} the dynamics encoded by SBM is fundamentally different from both fractional Brownian motion and continuous time random walks. SBM is highly non-stationary and cannot provide a physical description for particles in a thermalised stationary system. Our findings have direct impact on the modelling of single particle tracking experiments{,} in particular{,} under confinement inside cellular compartments or when optical tweezers tracking methods are used.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 180 
KW  - single-particle tracking
KW  - living cells
KW  - random-walks
KW  - subdiffusion
KW  - dynamics
KW  - nonergodicity
KW  - coefficients
KW  - transport
KW  - membrane
KW  - behavior
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76302
SP  - 15811
EP  - 15817
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schröder, Henning
T1  - Ultrafast electron dynamics in Fe(CO)5 and Cr(CO)6
T1  - Ultraschnelle Elektronendynamik in Fe(CO)5 und Cr(CO)6
N2  - In this thesis, the two prototype catalysts Fe(CO)₅ and Cr(CO)₆ are investigated with time-resolved photoelectron spectroscopy at a high harmonic setup. In both of these metal carbonyls, a UV photon can induce the dissociation of one or more ligands of the complex. The mechanism of the dissociation has been debated over the last decades. The electronic dynamics of the first dissociation occur on the femtosecond timescale.
For the experiment, an existing high harmonic setup was moved to a new location, was extended, and characterized. The modified setup can induce dynamics in gas phase samples with photon energies of 1.55eV, 3.10eV, and 4.65eV. The valence electronic structure of the samples can be probed with photon energies between 20eV and 40eV. The temporal resolution is 111fs to 262fs, depending on the combination of the two photon energies.
The electronically excited intermediates of the two complexes, as well as of the reaction product Fe(CO)₄, could be observed with photoelectron spectroscopy in the gas phase for the first time. However, photoelectron spectroscopy gives access only to the final ionic states. Corresponding calculations to simulate these spectra are still in development. The peak energies and their evolution in time with respect to the initiation pump pulse have been determined, these peaks have been assigned based on literature data. The spectra of the two complexes show clear differences. The dynamics have been interpreted with the assumption that the motion of peaks in the spectra relates to the movement of the wave packet in the multidimensional energy landscape. The results largely confirm existing models for the reaction pathways. In both metal carbonyls, this pathway involves a direct excitation of the wave packet to a metal-to-ligand charge transfer state and the subsequent crossing to a dissociative ligand field state. The coupling of the electronic dynamics to the nuclear dynamics could explain the slower dissociation in Fe(CO)₅ as compared to Cr(CO)₆.
N2  - Diese Dissertation handelt von der Untersuchung der zwei Modell-Katalysatoren Fe(CO)₅ und Cr(CO)₆ mittels zeitaufgelöster Photoelektronen Spektroskopie an einem High Harmonic Setup. In beiden Metallcarbonyl kann die Dissoziation von einem, oder mehreren Liganden durch ein UV Photon ausgelöst werden. Der Dissoziation-Mechanismus wurde in den letzten Jahrzehnten diskutiert. Die Abspaltung des ersten Liganden und die damit verbundenen elektronischen Dynamiken finden auf Zeitskalen von Femtosekunden statt.
Für die Durchführung dieses Experiments wurde ein bestehender High Harmonic Setup in ein neues Labor verlegt. Der Aufbau wurde erweitert und charakterisiert. Mit dem modifizierten Aufbau können nun Reaktionen in Gas-Phasen-Proben mit Photonenenergien von 1.55eV, 3.10eV und 4.65eV ausgelöst werden. Dabei kann die Valenz-Elektronen-Struktur mit Photonenenergien zwischen 20eV und 40eV untersucht werden. Die Zeitauflösung liegt im Bereich von  111fs bis 262fs und hängt von der Kombination der zwei Photonenenergien ab.
Die beiden Komplexe sowie Fe(CO)₄ konnten in der Gas-Phase zum ersten Mal in elektronisch angeregten Zuständen mittels zeitaufgelöster Photoelektronenspektroskopie beobachtet werden. Im Allgemeinen kann jedoch mit der Photoelektronenspektroskopie nur der ionische Endzustand untersucht werden. Modellrechnungen zu den Spektren und die Entwicklung der dazugehörigen Theorie befinden derzeit noch in der Entwicklungsphase. Die Peaks in den Spektren konnten anhand von Literatur zugeordnet werden. Die Spektren der beiden Komplexe unterscheiden sich deutlich. Zu deren Interpretation wurde die Näherung verwendet, dass die Dynamik der Peaks in den Spektren die Bewegung des Wellenpakets in der multidimensionalen Energielandschaft darstellt. Die neuen Daten bestätigen weitestgehend bestehende Modelle für die Reaktionsmechanismen. Der Reaktionsmechanismus verläuft für beide Metallcarbonyle über eine direkte Anregung des Wellenpakets in einen metal-to-ligand charge transfer Zustand. Von dem angeregten Zustand aus kann das Wellenpaket in den dissoziativen ligand field Zustand wechseln. Dass die Reaktion in Fe(CO)₅ langsamer als in Cr(CO)₆ abläuft, kann durch die Kopplung der Dynamiken von Elektronen und Kernen erklärt werden.
KW  - dissertation
KW  - Dissertation
KW  - photo electron spectroscopy
KW  - physical chemistry
KW  - molecular dynamics
KW  - high harmonic generation
KW  - iron pentacarbonyl
KW  - chromium hexacarbonyl
KW  - metal carbonyls
KW  - ultrafast
KW  - dynamics
KW  - Photoelektronen
KW  - Spektroskopie
KW  - Moleküldynamik
KW  - high harmonic
KW  - Eisenpentacarbonyl
KW  - Chromhexacarbonyl
KW  - Photodissoziation
KW  - photodissociation
KW  - ligand
KW  - bond
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94589
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Levermann, Anders
A1  - Winkelmann, Ricarda
T1  - A simple equation for the melt elevation feedback of ice sheets
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - In recent decades, the Greenland Ice Sheet has been losing mass and has thereby contributed to global sea-level rise. The rate of ice loss is highly relevant for coastal protection worldwide. The ice loss is likely to increase under future warming. Beyond a critical temperature threshold, a meltdown of the Greenland Ice Sheet is induced by the self-enforcing feedback between its lowering surface elevation and its increasing surface mass loss: the more ice that is lost, the lower the ice surface and the warmer the surface air temperature, which fosters further melting and ice loss. The computation of this rate so far relies on complex numerical models which are the appropriate tools for capturing the complexity of the problem. By contrast we aim here at gaining a conceptual understanding by deriving a purposefully simple equation for the self-enforcing feedback which is then used to estimate the melt time for different levels of warming using three observable characteristics of the ice sheet itself and its surroundings. The analysis is purely conceptual in nature. It is missing important processes like ice dynamics for it to be useful for applications to sea-level rise on centennial timescales, but if the volume loss is dominated by the feedback, the resulting logarithmic equation unifies existing numerical simulations and shows that the melt time depends strongly on the level of warming with a critical slow-down near the threshold: the median time to lose 10% of the present-day ice volume varies between about 3500 years for a temperature level of 0.5 degrees C above the threshold and 500 years for 5 degrees C. Unless future observations show a significantly higher melting sensitivity than currently observed, a complete meltdown is unlikely within the next 2000 years without significant ice-dynamical contributions.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 529 
KW  - sea-level rise
KW  - mass-balance
KW  - climate-change
KW  - Greenland
KW  - model
KW  - glacier
KW  - projections
KW  - dynamics
KW  - impact
KW  - 21st-Century
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409834
SN  - 1866-8372
IS  - 529
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Ehlert, Christopher
A1  - Holzweber, Markus
A1  - Lippitz, Andreas
A1  - Unger, Wolfgang E. S.
A1  - Saalfrank, Peter
T1  - A detailed assignment of NEXAFS resonances of imidazolium based ionic liquids
N2  - In Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) spectroscopy X-Ray photons are used to excite tightly bound core electrons to low-lying unoccupied orbitals of the system. This technique offers insight into the electronic structure of the system as well as useful structural information. In this work, we apply NEXAFS to two kinds of imidazolium based ionic liquids ([CnC1im]+[NTf2]- and [C4C1im]+[I]-). A combination of measurements and quantum chemical calculations of C K and N K NEXAFS resonances is presented. The simulations, based on the transition potential density functional theory method (TP-DFT), reproduce all characteristic features observed by the experiment. Furthermore, a detailed assignment of resonance features to excitation centers (carbon or nitrogen atoms) leads to a consistent interpretation of the spectra.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 315 
KW  - ray absorption-spectroscopy
KW  - fine-structure
KW  - spectra
KW  - simulations
KW  - molecules
KW  - dynamics
KW  - graphene
KW  - surface
KW  - salts
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-394417
SP  - 8654
EP  - 8661
ER  -